轴承用钢的品种开发[轴承知识讲

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

1 轴承钢GCr15的改进型钢种 1.1 高淬透性钢 以GCr15的化学成分为基础，添加一定量的提高淬透性的合金元素，形成不同系列的高淬透性钢以适合不同尺寸或壁厚的轴承零件的需要。典型高淬透性钢是加0.1%~0.6%Mo，而Cr含量略有提高，或略有降低，或保持不变，由此形成的加Mo系列高淬透性钢。如瑞典的SKF24、SKF25、SKF26、SKF27；美国的52100.3、52100.4；德国的100CrMo7、100CrMo8、775V；日本的SUJ3、SUJ4、SUJ5；俄罗斯的ШХ15СМ等。这些钢种不仅适用于马氏体淬火，也适用于大壁厚的轴承零件的贝氏体淬火。另外，德国为扩大贝氏体的应用，在100Cr6的基础上加入1%左右的Mn从而发展了W4?W7一系列高碳铬轴承钢。 1.2 KUJ2 KOYO[10]在SUJ2的基础上降低妨碍冷加工性能的C含量及铁素体强化元素Si、Mn含量，调整了Cr、Mo含量以补偿其淬透性、提高淬回火后的韧性。该钢的淬透性与SUJ2相当，寿命、机械性能优于SUJ2突出优点是优越的冷加工性能，在轴承加工中可节省资源和能源；且可利用其冷加工性能提高轴承的性能。KOYO拟用KUJ2代替SUJ2作为标准材料使用。 1.3 GT轴承钢 GT[11]轴承钢同样是在SUJ2化学成分的基础上，添加适量的Si和Ni，提高基体强度、韧性，同时提高抗回火稳定性。GT钢的旋转疲劳强度、抗压强度分别比SUJ2提高20%、30%，相当于HRC60的回火温度提高50℃；滚子试验的L10为SUJ2的20倍，6206轴承洁净润滑的L10比SUJ2轴承提高了约6倍。推荐GT钢用于1)在重载、润滑条件下使用的轴承；2) 小型轻量化条件下使用的轴承。 1.4 NSJ2[12] NSK在SUJ2钢的基础上开发的新钢种，其技术思路是认为在润滑剂受污染的情况下，轴承的疲劳萌生于外来磨屑引起的轴承滚道擦伤或压痕处，增加残余奥氏体含量可提高起源于表面疲劳的轴承寿命，通过调整钢的合金成分，来提高淬回火后的残余奥氏体含量并将其保持在相对稳定的状态。该钢的成分为：C 0.8%~0.85%，Cr 0.9%~1.1% ，Mn 0.6%~0.8%，Si 0.5%。NSJ2在清洁润滑条件下的疲劳寿命与SUJ2相当，在污染润滑条件下寿命、尺寸稳定性优于SUJ2, 抗磨损及抗咬合性与SUJ2相近。 2 常温渗碳（或碳氮共渗）钢 2.1 大型轴承用渗碳钢CH213 KOYO[13]在SNCM815渗碳钢的基础上调整Si、Ni含量，在强化基体的同时，可提高抗回火稳定性，以确保同样的韧性；C、Mo含量确保优良的淬透性。其具体成分与其他钢种的比较如表1。CH213钢的滚动接触疲劳寿命高于SNCM815及SAE9315钢4倍左右，可作为可靠性好的材料付诸使用，如用于转速高、连续运转时间长、承受冲击载荷及使用环境的变化而导致温升的大型轧机轴承。 表1 几种渗碳钢的成分（%） 钢种 C Si Mn Ni Cr Mo CH13 0.20 0.50 0.60 3.00 0.80 0.30 SNCM815 0.15 0.25 0.45 4.25 0.85 0.25 SAE9315 0.15 0.25 0.55 3.25 1.20 0.25 HTF 0.42 0.39 1.24 -- 1.23 -- STF 0.42 0.39 1.24 -- 1.23 1.00 高浓度渗碳钢 0.18 0.50 0.30 -- 2.24 2.408 2.2高浓度渗碳钢 日本开发的新钢种 [14]，成分见表1。采用高浓度渗碳及碳化物细化工艺，在渗层中析出大量的细小碳化物以获得比污染物高的硬度，其在污染的润滑油中的轴承滚动接触疲劳寿命为普通淬回火GCr15钢的2.5倍。 2.3 TF系列渗碳钢 TF技术是NSK主要针对污染润滑条件下使用的轴承而开发的长寿命高韧性渗碳钢及配套的热处理技术[15~18]。在污染润滑的条件下，润滑剂中的污染粒子在轴承零件滚动接触面上形成压痕，成为疲劳源造成早期表面疲劳剥落失效。首先是对渗碳钢的成分进行调整，然后利用NSK 的新的热处理工艺在渗碳或碳氮共渗后在渗层中得到大量的细小碳化物或碳氮化物，在得到高残余奥氏体含量（30~35%）的同时保持高的硬度。一方面利用高的表面硬度使污染粒子不易在接触表面形成压痕，另一方面利用大量的易变形的残余奥氏体降低压痕的边缘效应（或应力集中）及形变诱发相变使裂纹不易形核和扩展，以得到高的轴承寿命。TF系列渗碳钢可分为TF、HTF、STF和NTF。TF钢主要是适当提高了基体的C含量（约0.4~0.6%），其轴承在污染润滑条件下的寿命比普通轴承提高4倍；HTF钢（SAC1）在TF钢的基础上采用较高的Cr、Mn含量促使基体中形成大量的细小碳化物并渗层中得到更多残余奥氏体，其轴承在污染润滑条件下的寿命比普通轴承提高6倍多；STF钢（SAC2）是在HTF的基础上又加入1%Mo以得到更多更细的碳化物或碳氮化物，其碳化物的数量为TF钢的3倍，其轴承在污染润滑条件下的寿命比普通轴承提高近10倍；NTF钢与HTF钢（SAC1）相似，只是贵重元素Cr、Mn含量少于SAC1，用NTF制造的轴承价格低于普通轴承钢制轴承。另外，TF系列钢制轴承具有优越耐磨性和咬合极限，尺寸稳定性介于全淬硬和一般表面淬硬材料。 3 高温轴承钢 高温下使用的轴承材料按使用温度可分为：≤100℃，一般淬回火的轴承钢；100~200℃，耐热处理（或称高温回火）的轴承钢或准高温用轴承钢；200~300℃，M50、T1 及其他耐热钢；≥560℃，陶瓷或金属陶瓷[19]。 3.1高温轴承钢 传统的高温轴承钢为T1（W18Cr4V）、T2、T10、M50 (Cr4Mo4V)以及14Cr?4Mo 钢种派生出的各种轴承钢（CRB?7和BG?42）[19~23]等，这些全淬透钢虽然能满足许多应用要求，如较高的高温硬度等。但这些钢均添加了大量贵重的碳化物形成元素Cr、Mo、W、 V，利用二次硬化提高容许使用温度，缺点是价格高，碳化物粗大，为细化对滚动寿命带来不利影响的粗大一次碳化物还必须进行ERS等特殊冶炼，且韧性不足，在高速高应力下其可靠性难以得到保证。 欧美国家于20世纪90年代开发出了RBD、CBS1000、M50NiL等高温渗碳钢，以M50NiL使用最为广泛，其经渗碳后，渗层内碳化物细小，渗层为残余压应力，心部韧性为M50的2.5倍，经表面镀硬铬后其疲劳寿命L10为M50的6倍。目前，该钢主要使用在航发主轴轴承等要求高温高速高应力高可靠性、形状复杂的轴承。几种高温轴承钢的成分见表2。 表2 高温钢及准高温钢的化学成分（%） 钢种 C Si Mn Cr Ni Mo V W Co M50 0.80~0.85 0~0.25 0.15~0.35 4.00~4.25 0~0.15 4.00~4.50 0.90~1.10 0~0.25 0~0.25 BBD 0.16~0.21 0~0.25 0.20~0.40 2.75~3.25 0.50~0.90 -- 0.35~0.50 9.50~10.50 -- CBS600 0.19 1.05 0.61 1.05 0.18 0.94 Prowear 0.10 1.00 -- 1.00 2.00 3.25 -- Cu: 2.00 M50NiL 0.11~0.15 0.10~0.15 0.15~0.35 4.00~4.50 3.20~3.60 4.00~4.50 1.00~1.35 0~0.15 0~0.25 KUJ7 1.00 1.00 0.05 2.00 -- 0.50 -- -- -- ШХ15СМ 1.00 0.80 0.30 1.50 0.10 1.00 0.04 B 0.003 Ce 0.007 3.2准高温轴承钢(或称中温轴承钢)　 GCr15钢在超过100℃下，滚动寿命会急剧下降。为此，太田敦彦、星野俊幸等[19，24~26]对准高温区（200℃，脂或油正常使用的上限温度）的淬回火钢的性能变化进行了研究：在高温及接触应力作用下，次表层形成低硬度的铁素体白亮区，该区内粒状碳化物消失并在邻近区域析出针状碳化物，白亮区成为后来的疲劳源。通过在GCr15的基础上加入Cr, Mo, Si等阻止碳扩散的元素以阻止白亮区的形成来提高高温性能。 KOYO开发了准高温轴承钢KUJ7[25，26]，其成分见表2。该钢在180℃、5230Mpa的条件下，L10比GCr15提高约20倍，特别适合于制造汽车发动机主轴及辅机用轴承和钢铁等热加工设备用轴承。 NTN也在SUJ2的基础上通过调整化学成分开发了类似的钢种NTJ2[19，24]。在150℃下，该钢制轴承的寿命为TS2处理（200℃高温回火）的SUJ2的3倍多，尺寸稳定性、抗剥落性均优于后者。NTN主要把该钢用于车辆用牵引电机、汽车电器、复印机、薄膜延伸机、燃气轮机造纸机械等机械中使用的轴承。 前苏联开发了能在250℃下使用的ШХ15СМ[27]，该钢与以前高温下使用的钢（8Х4Е9Ф2-Ш、8Х4M4В2Ф1-Ш）相比，增加C、Si含量，减少了Cr、Mo含量，不加W、V而加入了B、Ce，加如B 的作用是提高淬透性，加Ce提高抗回火稳定性。具体成分见表2。该钢的淬透性好，轴承的寿命可提高0.5倍。 4 马氏体不锈钢 常规高碳马氏体不锈轴承钢9Cr18 (AISI440)，9Cr18Mo(440C) 具有高的碳、铬含量，凝固时产生粗大共晶碳化物，且不能通过以后的热处理来改变。粗大的碳化物易造成高的应力集中引起剥落，降低马氏体基体的铬含量导致热处理后硬度偏低、耐蚀性下降，另外，粗大共晶碳化物的存在影响轴承的表面粗糙度，增加轴承的噪音。因此钢中非常不希望共晶碳存在。 4.1 0.7C?13Cr 近年来人们开发了0.7C?13Cr马氏体不锈钢[28~34]（西德X65Cr13, NMB DD400，KOYO KUJ440C），通过降低碳、铬含量，减少共晶碳化物含量及尺寸，但仍有部分共晶碳物存在。该钢的接触疲劳性能、硬度、冲击韧性及在盐水中耐蚀性优于440C，但在硫酸及盐酸溶液中的耐蚀性不如440C。该钢主要用于要求不锈耐蚀的精密球轴承和连轴轴承，如低噪音的录像机磁鼓轴承组件、计算机硬盘驱动轴承及牙钻轴承等。 4.2 高氮钢HNS FAG于1984年开发了Cronidur15(X15)、Cronidur30(X30)[31~33，39]，1988年投入使用主要技术思路是降低440C中的碳含量并增加了氮含量以提高耐蚀性和持久寿命，而不会增加太多的生产成本。加氮需要非常特殊的方法，加氮的方法是在传统的炼钢工艺中，在40bar的压力下熔炼并加入氮化硅粉末，氮化硅在渣池中分解成硅和氮。氮及碳形成很小的粒点状碳氮化合物均匀分布在钢中，类似于GCr15钢的球化退火组织，而不出现440C中粗大共晶碳化物及针片状共晶碳化物。该钢的韧性、耐蚀性及疲劳性能均优于7Cr13及440C。在水中轴承寿命高出常规轴承钢的5倍。NSK也开发了类似的新钢种ESI[28~29]。 50X18AM钢[35]是由前苏联乌克兰特殊钢科学研究所和全苏轴承科学研究院开发的耐蚀、耐热、耐磨轴承钢。其技术思路是降低原高碳高铬钢（如9X18、11X18M）的C含量到基体的C含量的水平，减少共晶碳化物的数量、细化碳化物，表层中缺碳由以后的渗碳或C、N共渗来增补，同时基体中加入一定的N避免心部δ-铁素体的产生并产生细小弥散的碳氮化物以提高基体的强度。该钢制轴承零件磨损极小，使用寿命长。完全满足制造精密轴承零件用材的技术条件。 几种新型不锈钢的主要成分如表3。 表3几种新型不锈钢的主要成分（%） 钢种 C Cr Mo N 备注 440C 1.00 17.00 0.55 -- 9Cr18Mo X65Cr13 0.65 13.00 -- -- 7Cr13, DD400，KUJ440C，QPD5 X15 0.15 15.00 1.00 0.35 Cronidur15 X30 0.30 15.00 1.00 0.39 Cronidur30 50X18AM 0.50 18.00 0.70 0.30 5 低淬透性钢 ШХ4（GCr4）[36~38] 前苏联开发的钢种，通过把轴承钢（GCr15）中的Cr含量由1.05%降低到0.35~0.50%，而降低其淬透性，并利用整体感应加热、高速流动水淬火，在表面得到马氏体、心部为贝氏体+屈氏体+索氏体的混合组织，使套圈外硬内韧，表面为残余压应力。提高了轴承强度、抗冲击性能和寿命与可靠性，材料及热处理成本低。在轧机及铁路轴承上应用前景较大。 6 粉末冶金轴承钢 6.1 粉末冶金ШХ15（GCr15）钢[40，41] 前苏联及斯洛伐克把轴承钢废料（切屑、废钢块）重熔，用吹氮喷雾法制取与ШХ15成分相同的粉末，经加压烧结制成轴承坯料。与一般精炼的铸钢相比，组织更弥散，晶粒细小、晶界纯洁度高，机械性能高得多，疲劳寿命长。 6.2 粉末冶金440C钢[34] 日本采用真空冶炼后以气体喷雾支取440C钢粉末，并用独创的热挤压成型制成440C钢。淬回火后最大碳化物已细化为2~3μm，分布均匀，几乎无成分偏析，克服了腐蚀、磨损的不均匀性，防止了噪声的产生。具有优良的耐蚀性、防锈、加工性，高的疲劳性能，L10竟为精炼钢的100倍。粉末冶金440C钢在要求寿命长、可靠性高的用途上是最佳的材料。